您的瀏覽器不支援JavaScript語法,但是並不影響您獲取本網站的內容。

技術探索

多模多頻4G LTE實驗網布建與測試技術之探討

中文摘要

  發展多模多頻之4G LTE實驗網整合平台環境,提供設備測試案例之發展平台,並藉由與國際運營商及設備商合作,以強化測試能量與組網技術。實驗網整合測試平台,將促成國內輕局端與終端設備廠商之實驗室內部、外場、應用服務與多系統驗證環境,並完備寬頻產業發展環境,有利發展下世代多模多頻之實驗網運營整合平台。為提升測試能量,以同步國際通訊產業發展,實驗網將藉由與國際運營商合作,共同討論實驗場域架構與相關技術,包含外場實際環境的多模多頻環境的整合測試平台建構,以及各種符合國際標準與運營商規範之關鍵指標測試案例開發。實驗網整合平台將完備符合商業等級之核心網路(EPC),以及運營商實際採用規格之基地台設備,進行大規模的室內、戶外測試環境設置,以趨近實際無線傳輸環境、及商用核心網/基地台設備的場域, 開發各樣應用服務並進行功能驗證, 如小細胞基地(Small Cell) 台室內覆蓋、Self-Organization Network (SON)技術、物聯網(Internet of Things;IoT)、感測網、智慧生活應用等技術,使國內產業發展不侷限於銷售終端產品,亦可輸出完整的端到端(End to End;E2E)解決方案,有效促進國內產/學/研各界之升產業價值與知識服務。

Abstract

  To develop 4th Generation (4G) experimental network integration platform of multi-mode and multi-band environment for equipment test cases platform, and co-work with worldwide operators and equipment manufacturers to strengthen network validation testing capacity and construction technologies to provide indoor and outdoor network for equipment manufacturers of Femtocell and device products, application service and multi -service integration test environment through network integration platform. Cooperation with worldwide operators to come out experimental network infrastructure for Information and Communications Technology (ICT) development and its related technologies, which integration networks are, installed of multi-band, multi-mode environment and the test case development of each key i ndicator that compliance with international standards and operators’ specifications. The commercial Evolved Packet Core Networks (EPC) and Evolved Node B (eNB) used by operators will be applied in indoor and outdoor network.Additionally, to enforce knowledge-based service industry, strengthen cooperation among the industrial, academic and research centers to develop application services, such as indoor coverage technologies of Small Cell base station, Self-Organization Network (SON) technology, Internet of Things (IoT), Sensor Networks, Smart Life Application, etc., will provide a test bed for applicationservices with most likely commercial level, so as to help domestic enterprises develop capacity to provide thorough End to End (E2E) solutions, adding more values to the industry instead of only selling end products.

關鍵詞(Key Words)

第4 代行動通訊(4th Generation;4G)
長程演進系統(Long Term Evolution;LTE)
實驗網(Experimental Network)
互通測試(InterOperability Test;IOT)
測試案例(Test Case)

圖 1 LTE 4G實驗網建設規劃依據

圖 1 LTE 4G實驗網建設規劃依據

1. 前言

  近年來隨著全球智慧型手機逐漸普及、電信雲端應用服務的增加及行動寬頻技術持續發展的帶動下, 寬頻產業發展亦隨之產生變化,例如為解決行動數據流量問題的小基站(Small Cell)設備與新網路架構、各國政府投入寬頻創新整合應用與基礎建設普及發展,及國際學術單位之前瞻通訊技術研發投入,預期寬頻通訊產業將以新應用服務創造新營收,其中因應服務需求變化而來的網路架構與設備,逐漸邁入新的發展階段。

台灣商用4G LTE(Long-Term Evolution)網路服務已進入商轉階段,相關產品及應用服務預期將蓬勃推出,終端與網路設備互通測試驗證場域需求提升,驅使相關產業預測試(Pre-Test)互通測試實驗平台發展。建構實測功能與效能之驗證環境, 將有效促成國內網通廠商縮短產品研發至上市時程,與降低測試成本及提升服務品質,並藉此發展符合國際標準及國內外運營商測試範例與測試工具,協助廠商發現問題進而解決問題,精進產品功能與性能。本實驗網建置規劃過程中,將爭取與國內、外電信運營商(如:中國移動、中華電信、遠傳電信.. 等) 與設備廠商(Nokia, Ericsson, Alcatel-Lucent, Cisco..等) 合作,於工研院新竹中興院區建置台灣首座LTE TDD (Time Division Duplexing) and FDD (Frequency Division Duplexing)雙網多模多廠商之類商用實驗室與外場組網,可提供多模多頻終端與小基站之一致性測試(Conformance Test)、網路互通測試與應用服務測試,如:語音(Voice over LTE ; VoLTE)品質服務,參考3GPP, GCF等國際測試標準,導入電信運營商、網路設備商之測試案例,開發設備互通測試相關測試案例內容,完備測試運營服務並發展運營商進行設備採購規範之入庫測試(Operator Interoperability Test ; OIOT)案例能量,以縮減開發至商用時程[1-2]。如圖 1示意為4G實驗網建設規劃依據。

  建構自主的4G多頻多模實驗網路與符合Small Cell的一致性功能、效能量測及佈建參數基準場域,可從通訊系統維運的實務面協助國產4G終端與接取設備商與電信運營商網路設備進行互通互連測試。完備4G LTE網路互通測試與創新應用服務驗證實驗室,期能大幅加快我國4G設備產品之上市時效與測試成本,有利我國4G產品切入國際生態鏈。未來並可擴充為LTE-A (LTE-Advanced)驗證實驗室,逐步帶動4G 產品多樣化、服務加值化與多元創新應用之高價值功能之實現,期完備4G實驗網,成為育新興、展系統、補關鍵和推高值之最佳平台。

  本文開始先說明實驗網場域與情境, 包含室內與室外覆蓋範圍, 再說明實驗網路架構與組成設備元件, 接著探討測試技術與方法, 最後為場域未來因應設備開發與創新應用服務測試需求發展建議。

圖 2 中興院區實驗網場域規劃

圖 2 中興院區實驗網場域規劃

2. 場域與情境簡介

隨著4G頻譜釋照,各項4G LTE終端設備早已蓄勢待發瞄準國內市場,網通終端設備一直以來都是臺灣科技產業的中流砥柱, 質好、精美、小巧、低價更是臺灣終端設備開發注重的目標,因此臺灣終端設備產業的研發能量在全球享有美譽。然而,當這些終端設備要賣到全球各地運營商時,需要很多時間與金錢進行入庫測試上,因此建立國內LTE通訊終端產業預測試驗證實驗平台,提供實測與展示功能之驗證環境,並可加速國內廠商產品研發至上市時程,提升服務品質並降低測試成本。首先,透過整合國際運營商合作、法人研發單位與設備廠商力量,共同討論實驗場域架構與相關技術。其次,以此為基礎並建置LTE異質實驗網平台,完備實驗測試場域發展並提供學研各單位於研發階段之測試環境,接著,彙整國際運營商之測試案例並引入以國際標準組織3GPP,CGF及科專執行成果[3-6];其中建置LTE測試實驗室需求之多頻多模網路、測試儀器、流程規劃、測試案例規劃、測試自動化等要素,加速建立國內4G互通測試技術能量與測試實驗室,並因應開發LTE特有語音與應用服務需求建構VoLTE 平台,期提供國內終端廠商測試驗證,並完整開發平台測試環境。試行新型態之應用服務(需量反應)以助國內通訊產業尋求產品加值之新契機,如圖2示意為工研院中興院區實驗網規劃內容。

  為了組建符合4G創新應用驗證與網路設備測試需求之LTE TDD和FDD雙網融合組網場域,做為國內外接取設備驗證基礎;需完成LTE終端產品與Small Cell局端設備互通測試實驗室建置; 與運營商洽談場域與組網合作、實驗頻譜規劃、異質網路布建情境規劃與測試案例開發[7]。此外,為因應全球產業發展與頻譜資源使用率提高需求, 將完成新竹場域中興院區LTE TDD 和FDD 組網之載波聚合(Carrier Aggregation ; CA)技術部署,進行異質網路場域LTE-A功能測試[8]。場域情境規劃如下:

  • 根據資料業務需求確定使用者涵蓋目標速率
  • 根據使用者規模合理配置涵蓋邊緣使用者資源
  • 參照涵蓋區域的通道環境選擇合理的MCS(Modulation and Coding Scheme)等級。

圖 3 LTE 4G實驗網基站數量規劃

圖 3 LTE 4G實驗網基站數量規劃

2.1 室外測試場域

  室外測試場域規劃首先選擇覆蓋範圍,包括高人口密度、快速移動場域、校園場域等,以進行技術驗證,目標為求達成在上述區域實現室外成片連續覆蓋及室內訊號有效覆蓋。基站蜂窩網小區的典型結構,如圖3所示,小區個數在規劃上會先以標準6邊形「蜂窩」計算Tier1(外圍第一圈的6個)與Tier 2(外圍第2圈的12個)做考量,主要是考慮同頻干擾的影響,因為有時候中心小區也有可能收到來自Tier 2的訊號。但是如果只是要測試換手、TAU(Tracking Area Update) 這類移動管理(Mobility Management)的功能,則只需要考慮Tier 1就可以了。測試方法分「空擾」與「加擾」兩種。空擾所指全網沒有任何終端做干擾源,也沒有任何模擬加擾存在,專門用於單一小區覆蓋,容量、傳輸量、時延與網路品質KPI測試。加擾可分上行與下行;上行加擾主測小區朝向的2層(2 Tiers) 鄰區,採用真實UE進行上行加擾,每小區2個UE; 下行加擾除主測小區外,周圍19站所有小區開啟下行模擬加擾(以50%的無線Radio Blocks被干擾的情形)。加擾主要用於:全網覆蓋、容量、傳輸量、時延、網路品質KPI測試與同異頻對比等測試案例中。

  實驗網場域依據上述之規劃說明,建構以提供國內網通廠之設備互通測試、法人科專成果驗證、運營商設備組網與關鍵技術驗測參考及應用開發商應用服務驗證。規模以新竹場域中興院區LTE TDD與LTE FDD雙網融合商用規格環境擴建至新竹場域(竹北高鐵車站與竹科院區)進行規模驗證,期完備多模、多網與多廠商之實驗場域;其中建置規範將依循運營商的設備規格,並整合實驗組網外場的整合測試平台,完備國際運營商需求之終端驗證場域與國際標準規劃之路徑規劃,以建立各種關鍵指標與國際測試標準案例,提升服務品質並降低測試成本,與提供國內通訊產業鏈從終端到局端的驗證測試場域。

2.2 室內測試場域

  為有效提升國內4G測試產業的測試能量, 主要的執行策略是與國際接軌, 取得符合國際規範或國際運營商的測試範例與測試流程,以獲得終端與Small Cell產品認證之能量。與電信運營商合作,發展實驗室內的模擬測試技術, 讓終端產品可以除了可以在實驗室內進行3GPP規格驗證外,也可透過真實使用者所產生的實際測試資料流進行實驗室的模擬測試,期能提升互通測試技術與具有工程價值與市場價值的測試項目(Test Cases)、測試方法(Test Methodologies) 、測試工具/ 腳本(TestTools/Scenario)供國內廠商參考,降低國內廠商在產品開發與驗證成本。

  為開發室內Small Cell組網技術及測試案例, 如圖4(a)及(b)表示室內實驗場域拓樸。利用已完成科專成果自主技術及部分商用產品進行組網, 其實驗場域主要是延續工研院中興院區目前既有4G實驗網資源,分別於工研院51館與11館內辦公區域進行室內覆蓋組網。主要構成設備包含Small Cell 基站eNB (eNodeB),WiFi AP, Multi-RAT Gateway, Security Gateway, 核心網EPC(Evolved Packet Core)以及多媒體應用服務伺服器, 如表1為測試規範。

圖 4(a) LTE 4G實驗網51 館室內場域

圖 4(a) LTE 4G實驗網51 館室內場域

圖 4(b) LTE 4G實驗網11 館室內場域

圖 4(b) LTE 4G實驗網11 館室內場域

表 1 測試案例表列

表 1 測試案例表列

圖 5 中興院區LTE TDD/F DD雙網融合組網場域

圖 5 中興院區LTE TDD/F DD雙網融合組網場域

3. 測試網路架構

工研院新竹中興院區場域所建置LTE TDD與FDD雙網融合組網之商網規格模擬環境,因TDD LTE有較佳的頻率使用效率,因此在人口密集區域選擇佈建TDD LTE的基地台;另人口較少,較適合佈建涵蓋率較大的LTE FDD基地台,以節省建設成本。如圖5示意為中興院區LTETDD與FDD雙網融合組網場域。兩者各有其優點,各取其優,可充分發揮其效能,強化多模終端互通測試能量,透過基站分流技術完成網路負載平衡(Load Balance)機制,讓用戶獲更佳的網路品質,有效提升服務品質並降低測試成本,因此LTE TDD與FDD 融合組網為全球趨勢;同核網/不同核網時資源分配策略與排程設計與覆蓋率差異化的因應方式(Unpaired Spectrum)。兩者90%以上技術是相通,可共建產業鏈,擴大LTE 產業的發展,有效促成國內通訊產業鏈從終端到局端的驗證測試環境。完成商用規格多廠商LTE TDD與FDD戶外與室內涵蓋場域建置,並整合應用服務廠商與運營商技術共同開發多媒體語音應用平台,可提供LTE終端與Small Cell連網驗證與應用服務測項需求,有效加速推動測試能量提升。

  LTE基站互通性測試之實驗網路包含基站eNB、使用者設備(User Equipment ; UE)與核心網EPC部份,測試網路架構如圖6所示。另外,為完備4G/B4G產業發展環境,將推動與國際設備商和運營商串接,以驗證多製造商整合MVI(Multivendor Integration)平台測試規範,如圖所示7,以eNB為主要的被測試設備(Device Under Test ; DUT)結合核網EPC與終端UE為配套設備,應用於介面監視的協定封包擷取設備或程式,連接在LTE 網路之S1,X2介面上,監測並分析記錄介面的訊息封包。

圖 6: LTE 4G實驗網平台建置架構

圖 6: LTE 4G實驗網平台建置架構

圖 7 LTE 4G實驗網多製造商整合平台

圖 7 LTE 4G實驗網多製造商整合平台

4. 測試技術與方法

任何通訊射頻器材研發階段完成,均需經過認證( Certification)才能上市銷售。其認證可分Mandatory Scope( 強制性認證)及Voluntary Scope(自願性認證)。強制性認證係必要認證是各國政府進口的規定,不符合規定就無法進入海關於市場銷售,如出口到美國市場、南美市場需要通過FCC認證,出口到歐洲市場需通過CE認證,東南亞很多國家也接受CE認證轉證書,而台灣則是則須經過NCC 認證。自願性認證係選擇項目認證是電信運營商需慎選手持裝置產品並透過自家品牌以及電信服務網路來銷售,自然衍生出更多相容性、支援性的要求;一般會先要求供應商須提供通過自願性認證,才能列入採購項目。目前在北美與歐洲自願性認證項目以PTCRB/GCF、CTIA/GCF OTA為主。我國產業主要生產終端及輕局端設備,目前的銷售手法為運營商會大量採購終端設備,以補貼的方式衝高用戶量。但設備要賣到運營商,必須先通過該國/地區的射頻規範及輻射安全法規, 這稱為「入網測試」,之後,重頭戲是要通過運營商的各項測試,這稱為「入庫測試」,包括,射頻一致性測試(RF Conformance Test)、協議一致性測試(Protocol Conformance Test)、性能測試、該運營商有支援的業務測試、各設備互通測試、硬體可靠性、還有外場測試。

  為強化4G 實驗網符合國際標準發展時程,本實驗網平台將發展LTE-A技術,作為LTE技術的後續演進,保持與LTE良好的相容性,並提供更高的峰值速率和頻譜效率[9]。LTE-A以LTE為技術基礎和核心的演進技術,滿足IMT-A第四代移動通信系統的所有需求,其特點為有效的頻譜利用、更高的頻譜效率、簡單優化的網路架構,提供更高的系統容量與效率。LTE-A技術提高無線通訊系統的峰值速率、峰值頻譜效率、平均速率、平均頻譜效率與小區邊緣使用性能,以提高網路效率, 預測將是未來無線通訊技術的發展主流。LTE-A基於LTE新增載波聚合CA、Enhanced MIMO(Multi-Input Multi-Output)、Relay Node (RN)、Coordinated Multi Point (CoMP)等技術,以達成IMT Advanced對4G系統的規格要求。實驗網為強化研究開發能量與測試技術,將陸續導入/升級設備規格,以支援LTE-A的測試驗證,包含載波聚合CA 功能(支援R11部分設定):Intra-band contiguous FDD (CA_3C and 7C)與TDD (CA_41C),最高可支援2個頻段共40MHz 的CA 功能;Inter-band FDD(CA_3A_7A),最高可支援2個頻段共20MHz的CA功能、Enhanced MIMO功能、Transmission Mode 9(TM9)基站功能、天線與網路設備,最高可支援DL 8x8及UL 4x4 MIMO測試功能與RN,其中RN設備與DeNB(Donor eNB)設備導入,將可進行RN之無線效能測試[10-12]。進行外場測試前,應滿足下列要求:

  1. 通過室內基本測試;
  2. 測試基站需要支援MCS、MIMO 模式,發射功率、L1與L3 資料速率及路測儀的單獨與聯合記錄及監控功能;
  3. 系統完成所需基站之外場覆蓋,詳細條列最大發射功率、中心頻率、訊框架構之上下行比例等設定資料;
  4. 測試路線:包括其覆蓋範圍內能夠行車的主要交通道路,盡可能呈“ S” 型或田字形,測試場域之訊號覆蓋所有基站發射小區範圍,包含基站內和基站間切換場景。每次測試前,與測試終端相連的電腦和實驗網系統須對齊時間。每次移動性測試需要沿測試路線行駛 5-10 圈,前一半測試為 0-15(km/h) 車速,後一半測試為 15-60 (km/h)車速;
  5. 多 UE 測試時之 UE 位置的選擇:在測試前應儘量遍歷所涵蓋的覆蓋區域,測得小區內 SINR(CQI) 的 CDF 圖,同時提供 SINR和 CQI 映射表,圖8所示為外場測試路徑與訊號強度。根據已提供的 CDF 定覆蓋好、中、差區間, 並按以下標準進行選擇:90-100%為覆蓋好,40-60%為覆蓋一般,5-15%為覆蓋差。要求覆蓋好中差所涵蓋的UE 數為3:4:3;
  6. 多基站載入環境定義:為模擬真實網路性能,測試中需要引入一定的干擾。下行干擾由基站模擬產生,上行加干擾可由終端產生,也可以採用模擬方式產生。整個外場區域分為測試小區與非測試小區,測試小區加入真實測試終端進行資料傳輸稱為載入,除此以外的測試小區及非測試小區引入的模擬干擾均稱為加干擾。

圖 8 中興院區外場測試路徑與訊號強度

圖 8 中興院區外場測試路徑與訊號強度

表 2 外場測試規範

表 2 外場測試規範

進行外場過程, 測試換手成功率的測試就是要觀察當終端設備以不同速度移動下,由一個扇區移動到另一個扇區,觀察/紀錄是否換手成功(不中斷連線)、換手所需時間(是否影響即時影音傳輸效果)。測試目的為測試場域內各位置或移動路線的換手及斷線率, 加以調整系統參數,優化使用者經驗。依據路測數據加以分析,可以判斷環境(受測距離、大樓、障礙物、反射物、移動物體)因素的影響, 進而調高MCS、MIMO的容錯值,避免過多的封包錯誤,導致射頻資源用來重傳封包造成的負擔。測試規範如表2所列。

  到另一個扇區, 此時管理權會交換到下一個扇區的基地台。若移動中同時在進行資料傳遞,則需要將欲傳遞的資料, 轉由下一個基地台來傳遞給使用者, 要做到資料連線不中斷的目標; 甚至在觀看網路上的影音影片時, 不能讓使用者感受到有影像中斷的現象。圖9(a)及(b)所示為手持式路測工具測試資料。

圖 9(a) 路測工具測試資料-實體通道(PHY Channel)

圖 9(a) 路測工具測試資料-實體通道(PHY Channel)

圖 9(b) 路測工具測試資料-流量(Throughput)

圖 9(b) 路測工具測試資料-流量(Throughput)

5. 結論

  行動寬頻服務除了滿足人與人間溝通及人對資訊之需求外,也將開展另一人對物及物對物的聯結需求,形成無所不在之連結環境(Pervasive Computing)。在未來的下世代網路環境中,大量的連結裝置皆具備運算及通訊的能力與具有彼此互動、動態形成網路、隨時依據環境需求提供適應性技術(Adaptive Techniques) 服務品質QoS(Quality of Service)與乘載大量資料的能力。

  4G實驗網環境整合各界資源發展組網與測試技術,提供國內網通廠先期應用解決方案驗證需求之場域,期能降低應用服務布建與維運的風險,並符合學研單位對於B4G/5G 新技術研發實驗需求的學研單位作為開發環境,完成5G 下世代技術先期驗證平台介接,以進行B4G/5G 新技術與新理論的驗證。

參考文獻

  1. A. Khandekar, N. Bhushan, J. Tingfang, and V. Vanghi, “LTE-Advanced: Heterogeneous Networks,” Proc. Eur. Wireless Conf. (EW ’10) (Lucca, Ita., 2010), pp. 978–982.
  2. Amoesolu Smart DAS, [online]. Available: http://www.amoesolu.com/.
  3. 3rd Generation Partnership Project, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN), Overall Description, Stage (Release 12),” 3GPP TS 36.300, v12.3.0, Sep. 2014.
  4. 3rd Generation Partnership Project, “Architecture description,” 3GPP TS 36.401, v12.1.0, Dec. 2014.
  5. 3rd Generation Partnership Project, “Device Field and Lab Test Guidelines,” 3GPP TS.11 v11.8, Dec. 2014.
  6. 3rd Generation Partnership Project, “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Base Station (BS) radio transmission and reception,” 3GPP TS.36.104 v12.6.0, Sep. 2014.
  7. S. Kang, Y. Wang, F. Qin and L. Chen, “LTE-Hi: Evolution Toward Next Generation Mobile Broadband Network,” Proceedings of the WWRF Conference, Berlin, October 2012.
  8. A. Ghosh, R. Ratasuk, B. Mondal, N. Mangalvedhe and T. Thomas, “LTE-Advanced: Next-generation Wireless Broadband Technology,” Proceedings of the IEEE International Conference on Wireless Communications, pp. 10-22, June 2010.
  9. S. Parkvall, E. Dahlman, A. Furuskar, Y. Jading, M. Olsson, S. Wanstedt and K. Zangi, “LTE-Advanced–Evolving LTE towards IMT-Advanced,” Proceedings of the IEEE 68th Vehicular Technology Conference, pp.1-5, 2008.
  10. Z. Shen et al., “Overview of 3GPP LTE-Advanced Carrier Aggregation for 4G Wireless Communications,” IEEE Commun. Mag., vol. 50, no. 2, 2012, pp. 122–30.
  11. M. Iwamura, K. Etemad, M.-H. Fong. R. Nory, and R. Love, “Carrier Aggregation Framework in 3GPP LTE-Advanced,” IEEE Commun. Mag., 48-8 (2010), 60–67.
  12. Soret, Beatriz, and K. Pedersen., “Centralized and Distributed Solutions for Fast Muting Adaptation in LTE-Advanced HetNets,” IEEE Trans. Vehicular Technology, vol. 64, no. 1, Jan. 2015.

作者簡介

謝漢川

現任職工研院資通所寬頻網路與系統整合技術組。
主要負責領域為4G實驗網場域規劃與建置、4G通訊系統/終端/應用服務互通測試。

方譽荃

現任職於工研院資通所寬頻網路與系統整合技術組,
專長為數位通訊系統及編碼調變理論。

共有0則留言張貼留言
顯示更多回答
歡迎留下您的意見:
姓名:
E-Mail:
文章留言:
輸入驗證碼:
請輸入驗證碼KZWA